Naučnici su rešili misteriju ubistva u ćeliji skoro 25 godina nakon što se slučaj ohladio. Prateći trag dokaza od voćnih mušica do miševa do ljudi otkrilo je da kanibalističke ćelije verovatno izazivaju retku ljudsku imunodeficijenciju. Sada ovo otkriće obećava da će poboljšati nadolazeći tretman raka.
„Ovaj rad nas vodi od veoma fundamentalne ćelijske biologije u mušici, do objašnjavanja ljudske bolesti i iskorištavanja tog znanja za terapiju raka“, rekla je Denise Montell sa UC Santa Barbara. „Svaki od tih koraka izgleda kao veliko otkriće, ali evo ih, sve u jednom papiru.“
Istraživači u Montelovoj laboratoriji objavili su svoje nalaze u Proceedings of the National Academi of Sciences i sada istražuju mehanizme i implikacije.
Primarni lik u ovoj priči je gen, Rac2, i protein koji kodira. Rac2 je jedan od tri Rac gena kod ljudi. „Rac je veoma star u evoluciji, tako da mora da služi fundamentalnoj funkciji“, rekao je viši autor Montell, profesor Duggan i ugledni profesor molekularne, ćelijske i razvojne biologije.
Rac proteini pomažu u izgradnji ćelijske skele, nazvane citoskelet. Citoskelet je napravljen od dinamičkih filamenata koji omogućavaju ćelijama da zadrže svoj oblik ili deformišu, po potrebi. Godine 1996, dok je proučavao malu grupu ćelija u jajnicima voćne mušice, Montell je utvrdio da su Rac proteini ključni u kretanju ćelija. Od tada je postalo jasno da je Rac skoro univerzalni regulator pokretljivosti ćelija u životinjskim ćelijama.
Još 90-ih, primetila je da hiperaktivni oblik proteina Rac1, izražen u samo nekoliko ćelija u komori za jaja muve, uništava celo tkivo. „Samo izražavanje ovog aktivnog Rac-a u šest do osam ćelija ubija celo tkivo, koje se sastoji od oko 900 ćelija“, objasnila je vodeći autor Abhinava Mišra, naučnik projekta u Montelovoj laboratoriji.
Zašto se to dogodilo? Kako to funkcioniše? „Ovo je bio naš 25-godišnji slučaj prehlade“, rekao je Montell.
Pre nekoliko godina, počeli su da se skupljaju dokazi koji impliciraju ishranu ćelija, takođe poznat kao kanibalizam, u uništavanje tkiva. Postoji korak u normalnom razvoju muših jaja gde određene ćelije slične graničnim ćelijama konzumiraju svoje susede jer više nisu potrebne. Zaista, ćelijski kanibalizam nije tako redak kao što biste očekivali: milioni starih crvenih krvnih zrnaca se eliminišu iz ljudskog tela na ovaj način svake sekunde.
Rac2 je jedna komponenta složenog procesa ishrane. Rac pomaže ćeliji koja jede da obuhvati svoju metu. Tim je bio radoznao da li hiperaktivni oblik proteina uzrokuje da granične ćelije prerano konzumiraju svoje susede.
Da bi se to dogodilo, granične ćelije moraju da prepoznaju svoje mete, za šta je potreban određeni receptor. Zaista, kada je Mishra blokirao ovaj receptor, granične ćelije koje eksprimiraju aktivirani Rac nisu konzumirale svoje susede, a komora za jaja je ostala živa i zdrava.
„Naš 25-godišnji slučaj prehlade je rešen i to je za nas bilo veoma zadovoljstvo“, uzviknuo je Montel. „Ali ovo je prilično nisko područje razvoja jaja Drosophila.“ Implikacije će, međutim, uskoro rasti.
Otprilike u vreme kada je njena laboratorija napravila svoj proboj, Montell je uhvatila vetar za intrigantnu studiju u časopisu Blood. Ovaj rad je otkrio da su tri nepovezane osobe koje pate od rekurentnih infekcija imale potpuno istu mutaciju, koja hiperaktivira Rac2, Rac protein proizveden u krvnim ćelijama. Sumnjala je da bi nedavno otkriće njene laboratorije o voćnim mušicama moglo baciti svetlo na ovu enigmu.
Mutacija pacijenata se samo blago aktivirala, a ipak je bilo dovoljno da su svi patili od višestrukih infekcija i na kraju im je bila potrebna transplantacija koštane srži. Testovi krvi su otkrili da ovi pacijenti nemaju skoro nikakve T ćelije, specijalizovanu vrstu belih krvnih zrnaca koja su presudna za imuni sistem. Tim iz Nacionalnog instituta za zdravlje ubacio je mutaciju Rac2 u miševe i otkrio isti misteriozni gubitak T ćelija. Takođe su otkrili da su se T ćelije sa hiperaktivnim Rac normalno razvijale u koštanoj srži životinja i migrirale u timus, gde su nastavile da sazrevaju bez incidenata. Ali tada se činilo da su jednostavno nestali. Dakle, rad se završio sa misterijom: šta je uzrokovalo nestanak T ćelija?
Autori te studije u časopisu primetili su da su mnogi neutrofili pacijenata – još jedna vrsta belih krvnih zrnaca – bili uvećani. Činilo se da troše dosta materijala, neobičnog ponašanja kod inače zdrave osobe.
Montell se pitao da li T ćelije pacijenata nestaju zato što ih njihove urođene imune ćelije poput neutrofila sa aktivnim Rac2 jedu, slično kao što granične ćelije voćne mušice sa aktivnim Rac jedu komoru za jaje. Njen tim je skrenuo pažnju na makrofage – proždrljiviji pandan neutrofila – da ih istraži. Mishra je uzgajao ljudske makrofage sa i bez hiperaktivnog Rac2 zajedno sa T ćelijama. Primetio je da makrofagi sa hiperaktivnim Rac-om konzumiraju više ćelija, potvrđujući hipotezu grupe iz njihovog rada sa voćnim mušicama.
Da bi testirala da li bi ovo moglo da izazove uočenu imunodeficijenciju, koautorka Melani Rodrigez (diplomirani student u Montelovoj laboratoriji) uzela je uzorke koštane srži od miševa sa istom hiperaktivnom mutacijom Rac2 koja je pronađena kod pacijenata. Zatim je uzgajala matične ćelije srži u makrofage i izvela sličan eksperiment kao i Mišra, ali ovog puta mešajući i makrofage i T ćelije sa i bez mutacije Rac2.
Otkrila je da makrofagi sa aktivnim Rac2 konzumiraju znatno više T-ćelija od svojih normalnih kolega. Međutim, T-ćelije sa aktivnim Rac2 su takođe bile ranjivije na potrošnju iz bilo koje vrste makrofaga. Dakle, najverovatnije objašnjenje za nedostatak T ćelija pacijenata bila je kombinacija povećane potrošnje makrofaga, kao i povećane ranjivosti samih T ćelija. Ljudska medicinska misterija je rešena na osnovu osnovnih zapažanja voćnih mušica.
Implikacije ovih uvida su se proširile u januaru 2020., kada je koautorka Meghan Morrissei intervjuisala za poziciju fakulteta na UCSB-u. U svom govoru opisala je programiranje makrofaga da jedu ćelije raka kao novi tretman za bolest, pristup koji se zove CAR-M. Morrissei je otkrio da dodavanje CAR receptora makrofagima promoviše ovo ponašanje. Ali takođe je bilo jasno da bi podsticanje makrofaga da jedu više učinilo pristup efikasnijim – posebno ako bi oni posebno konzumirali i ubijali cele ćelije raka.
Pa, ako postoji nešto što su Montell i njena laboratorija naučili, to je kako naterati makrofage da jedu i ubijaju cele, žive ćelije. Tako su sarađivali sa Morisijem, sada docentom za molekularnu, ćelijsku i razvojnu biologiju, kako bi utvrdili da li bi dodavanje aktiviranog Rac2 povećalo efikasnost CAR-M pristupa.
Rodriguez je uzgajao makrofage iz koštane srži normalnih i mutantnih miševa sa aktiviranim Rac2. U svakoj od ovih grupa, Morrissei je eksprimirao ili lažni receptor ili CAR receptor, koji prepoznaje B ćelije (drugi tip bijelih krvnih zrnaca). Otkrili su da normalne i hiperaktivne Rac ćelije sa lažnim receptorima nisu jele mnogo meta B ćelija. Normalni makrofagi sa CAR receptorima su konzumirali mnogo više B ćelija, kao što je Morrissei ranije pokazao. Međutim, makrofagi sa hiperaktivnim Rac i CAR receptorima pojeli su ponovo dvostruko više B ćelija nego grupa samo za CAR. Takođe se činilo da aktivirani Rac2 povećava broj takozvanih „super jedača“ — zloćudnih makrofaga koji jedu i ubijaju više ćelija raka.
Rezultati su jasno pokazali da su aktivirani Rac i receptor neophodni za pojačani efekat. „Ako dodate aktivni Rac bez pravog receptora, to ne radi ništa“, objasnio je Montell.
Ovaj nivo kontrole je dobra vest za sve potencijalne tretmane jer bi lekarima dao način da fokusiraju napad modifikovanih makrofaga na ćelije raka. Nadamo se da kliničari neće morati da brinu o tome da će konstruisane ćelije jesti T-ćelije pacijenta, jer T-ćelije ne bi imale aktivnu mutaciju Rac2 koja ih čini ranjivijim na ovo, kao što je Rodriguez ranije otkrio.
Postoji trenutni tretman raka koji se zove CAR-T, koji koristi CAR receptor i sopstvene T-ćelije pacijenta za napad i uništavanje raka. Veoma je efikasan protiv nekih vrsta raka, ali ima mnogo onih koji ne reaguju. CAR-M, noviji rođak CAR-T, nedavno je ušao u klinička ispitivanja na ljudima i do sada se čini bezbednim. Montell i njena grupa su zainteresovani da iskoriste CAR makrofage poboljšane Rac kako bi povećali efikasnost CAR-M tretmana. Oni su podneli privremeni patent za tehniku – koju zovu Race CAR-M – i pozivaju biotehnološke kompanije da budu partneri u daljem razvoju pristupa.
Ovaj novi višestrani rad postavlja i osnovnu nauku i praktična pitanja, kojima je laboratorija počela da se bavi. Oni istražuju da li će tehnika, koja je tako efikasna u laboratoriji, takođe funkcionisati u sveže sakupljenim ljudskim imunim ćelijama i na modelima raka životinja, kod miševa i zebrica. Tim takođe istražuje kako Rac2 čini da se sve ovo dešava na molekularnom nivou, duboko unutar ćelija.
Dalje, Montell želi da zna koliko vrsta raka RaceCAR-M tretman može uspešno da cilja. Poređenja radi, CAR-T je bio efikasan protiv karcinoma poput leukemije i limfoma, ali ne i protiv karcinoma čvrstih tumora poput dojke, pluća ili debelog creva.
Rezultati su zadivili Montell, cenjenog ćelijskog biologa sa više od 100 radova na svoje ime. „Ovo je moj omiljeni list do sada“, rekla je.
„Imali smo ovaj 25-godišnji slučaj prehlade u voćnim mušicama i rešili smo ga“, dodao je Montel. „I to nam je pomoglo da rešimo misteriju neobjašnjive ljudske imunodeficijencije. A onda smo to znanje iskoristili da poboljšamo potencijalnu imunoterapiju raka.
„To je bila samo jedna misterija za drugom, a ispostavilo se da je Rac bio odgovor na svaku od njih.“
